專利名稱：砂層滲流淤堵模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及地下水滲流觀測技術領域，更具體地涉及一種砂層滲流淤堵模 擬裝置，它適用于研究含水地下砂層中顆粒和氣泡在砂層空隙中遷移并阻塞地
下水滲流現象的觀測裝s。
背景技術：
地源熱泵技術是一種采集淺層低溫地能(地下水、土壤和砂石蓄積的溫度 勢能)，同時滿足供暖和制冷的需求，并且實現零污染排放的能源利用方式。 地源熱泵不僅利用了大自然的可再生能源，大幅度節約傳統的高品位建筑用
能，還可以真正實現供暖制冷無污染的綠色居住環境，是21世紀取代傳統供 暖制冷方式最為現實最有前途的技術措施。在地下水源豐富的地區，比如大江 大河流域，地下水源熱泵是普遍采用的一種地源熱泵形式。地下水源熱泵利用 地下水，必須涉及取用水的回灌，不回灌可以避免地下熱積累對熱泵系統效能 的影響，但是只取水不進行有效回灌或回灌不慎會造成地面沉降、巳有地下管 線的破壞。目前由于理論認識和技術的限制，回灌困難是一個普遍的問題，而 機理卻不是很清楚，普遍猜測是在抽取和回灌地下水的過程中，由于微小顆粒 (比如細砂、土壤等)和氣泡(熱泵系統換熱系統帶入回灌水的氣泡或者微生 物產生的微氣泡)在含有地下水的砂層、土壤中運移，阻塞水的流動，尤其是 在回灌井壁上形成淤堵層，大大降低水流的速度和流量，因此很難將大部分抽 取出來的地下水灌回到原來的地層中去，帶來環境上的危害，并嚴重影響系統 的運行效能，帶來經濟上的損失。如果不了解淤堵的機理和過程，那么地下水 源型熱泵系統的井群設計，回揚清洗等維護方案的制定都會比較困難，因此需 要對實際地下水源熱泵系統回灌和回揚過程中顆粒和氣泡淤堵機理進行模擬， 了解其在自然孔隙介質水流通道運移、阻塞水流通道的過程，以及水流通道的
改變對顆粒和氣泡運移的影響，為建立數學模擬模型提供實測試驗數據，進行 定性和定量研究。
目前已有的類似研究觀測裝置可以監測通過孔隙介質滲流場的總體變化， 比如中國發明專利(公開號CN1126858C)公開的一種試井物理模擬裝置，利 用高壓密閉容器和多孔介質模型來模擬油氣田試井的彈性滲流過程，可以測量
3孔隙介質中流體的整體的流壓流量變化，得到滲流參數。以及中國實用新型專 利(公開號CN2874021Y)公開的一種物理模擬實驗用長管填砂模型，用長管 充填石英砂來模擬不同流體的滲流規律，進行微生物驅采石油以提高原油采收 率的實驗。然而，這類方法和裝置是以填充介質整體滲透性能來估算滲流規律 的，都無法對顆粒和氣泡在砂層孔隙含水介質中運移和淤堵過程，以及水流通 道改變對顆粒和氣泡運移的影響進行直接觀測研究，不能為淤堵機理研究提供 足夠的數據。申請人于2009年1月6日申請的專利-微生物地下水滲流阻塞觀 測的方法及裝置(申請號200910060435.4),是一種針對微生物的孔隙水流觀 測方法和裝置，利用紫外線和可見光控制和觀測微生物在孔隙含水介質水流通 道繁殖、運移和淤堵過程，但該方法和裝置不能模擬水源熱泵系統砂層中回揚 清洗和回灌過程，也不能模擬固體顆粒，比如土壤細砂，和氣泡摻雜在孔隙水 中的運移和淤堵現象。
發明內容
本發明的目的是在于提供了一種顆粒和氣泡地下水滲流淤堵模擬裝置，結 構合理，能模擬回灌和回揚清洗過程中顆粒和氣泡在砂層孔隙介質中的運移、 淤堵，可以直接觀測和記錄其淤堵方式以及水流通道改變對顆粒和氣泡運移的 影響，實時定量地獲取觀測數據，同時便于測量水壓力和取樣分析，有利于地 下水滲流淤堵模型研究。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的
一種實現砂層地下水滲流淤堵觀測方法的裝置，它包括上游儲水水箱、 水位控制水箱、混氣水箱、控制水泵、回抽水泵、攪拌器、氣泡發生器、閥門、 帶有入水出水口的實驗箱體、下游儲水水箱、第一數字相機、第二數字相機和 計算機。其特征在于水位控制水箱中裝置有攪拌器，混氣水箱中裝置有氣泡 發生器；實驗箱體內部入水口和出水口處裝置第一濾網和第二濾網，實驗用的 孔隙介質可裝填在第一濾網和第二濾網之間；計算機和數字相機相連，第一數 字相機、第二數字相機分別放置在實驗箱體兩側(厚度方向)。所述的實驗箱 體由可透射可見光的材料制成，可承受壓強lMpa以上。所述的實驗箱體由可 透射可見光的材料制成(本領域的普通技術人員均能制作)，為扁平長方形， 厚度1~2厘米。采用兩個水泵，可正反向驅動水流通過試驗孔隙介質。所述 的實驗箱體上裝置有若干個測壓采樣閥門，可用于測量水壓力以及取水溶液和 孔隙介質樣品。上游儲水水箱經控制水泵與水位控制水箱相連，水位控制水箱 經由回抽水泵與混氣水辯相連，之間水管上裝有水閥，組成模擬供水部分，由 進水管與實驗箱體入水口相連；水位控制水箱中裝置有攪拌器，用于混合細砂等顆粒物質，混氣水箱中裝置有氣泡發生器，用于產生微小氣泡，輸入到實驗 箱體中。實驗箱體出水口與上出水管及下出水管相連，上出水管及下出水管與 下游儲水水箱相連，組成下游儲水部分。第一數字相機、第二數字相機放置在 實驗箱體厚度方向的兩側，與計算機相連，共同組成觀測部分，可實時記錄由 孔隙介質、顆粒及氣泡反射和透過實驗箱體(包含孔隙介質)的光線，得到可 換算孔隙介質、顆粒及氣泡的密度和形態數據。
本發明中所述的可透水孔隙介質指細砂、粗砂、土壤、碎石等自然地下含 水層介質或玻璃珠、塑料珠等人造介質。
本發明具有以下的優點和效果①采用雙向抽水方式，可以方便地模擬井 水回灌和回揚清洗過程；②采用透光材料的實驗箱體，可以直接觀測和記錄 顆粒和氣泡在可透水砂層介質中的運移和淤堵，有利于砂層地下水滲流模型的 研究；③由于采用了數字相機記錄計算機儲存，可以實時定量地獲取顆粒和氣 泡在可透水孔隙介質中的分布和孔隙介質流動通道的變化，易于定量分析前后 差別。④適用于自然界孔隙介質和人造孔隙介質，比如河流沉積的粗砂、細砂 和土壤，以及玻璃珠、塑料珠，適于模擬研究地下水源熱泵系統的砂層滲流淤 堵問題。
圖l為一種砂層滲流淤堵模擬裝置示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明
一種砂層地下水滲流淤堵模擬裝置，由上游儲水水箱l、控制水泵2、水 位控制水箱3、攪拌器4、回抽水泵5、閥門6、混氣水箱7、氣泡發生器8、 計算機9、第一數字相機.10、進水管1K第一濾網12、實驗箱體13、第二數 字相機14、測壓釆樣閥門15、第二濾網16、下出水管17、上出水管18和下 游儲水水箱19組成。其特征在于水位控制水箱3中裝置有攪拌器4，混氣水 箱7中裝置有氣泡發生器8;實驗箱體13內部入水口和出水口處裝置第一濾 網12和第二濾網16，實驗用的孔隙介質可裝填在第一濾網12和第二濾網16 之間；計算機9和第一數字相機10、第二數字相機相連，第一數字相機10和 第二數字相機14分別放置在實驗箱體13兩側(厚度方向)。所述的實驗箱體 13由可透射可見光的材料制成，可承受壓強1Mpa以上。所述的實驗箱體13 由可透射可見光的材料制成，為扁平長方形，厚度1 2厘米。采用兩個水泵， 可正反向驅動水流通過試驗孔隙介質。所述的實驗箱體上裝置有若干個測壓采
5樣閥門，可用于測量水壓力以及取水溶液和孔隙介質樣品。
如圖1所示，上游儲水水箱1通過水管與控制水泵2相連，控制水泵2 通過水管與水位控制水箱3相連，攪拌器4裝置在水位控制水箱3中，水位控 制水箱3中的水位由控制水泵2從上游儲水水箱1中抽取和排放來控制，模擬 不同地下水壓力下的流動。顆粒介質直接投放到水位控制水箱3中，il攪拌器 4使之與水均勻混合。水位控制水箱3通過水管依次與回抽水泵5、閥門6與 混氣水箱7相連，混氣水箱7中裝置有氣泡發生器8，用于產生微小氣泡，混 入從水位控制水箱3過來的水中，由進水管11與實驗箱體13入水口相連，模 擬帶有微小顆粒和氣泡的水回灌到砂層介質中的過程。
實驗箱體13帶有入水口和出水口，在實驗箱體13內部距入水口和出水口 1 2厘米處裝置第一濾網12、第二濾網16，實驗用的孔隙介質可裝填在第一 濾網12、第二濾網16之間，被第一濾網12和第二濾網16限制住。實驗箱體 13制成扁平長方形，高度大于寬度，厚度1 2厘米，實驗箱體13壁上裝置有 測壓采樣閥門15，可以在需要時從箱體內部通過測壓采樣閥門15測量水壓力， 或取出水溶液和孔隙介質樣品。計算機9和第一數字相機IO及第二數字相機 14相連(圖1中省略數據連線)，放置在實驗箱體13兩側(厚度方向)。
下出水管17及上出水管18分別與實驗箱體13、下游儲水水箱19相連， 承接從實驗箱體13排出的水溶液。下出水管17裝置在實驗箱體13箱壁靠下 的部位，用于排出含顆粒介質較多的水溶液，上出水管18裝置在實驗箱體13 箱壁靠上的部位，用于排出含微氣泡較多的水溶液。
具體實施時，上游儲水水箱1采用大容積的箱體，控制水泵2采用雙向真 空提水泵，控制水位控制水箱3的水位。攪拌器4采用寬槳葉的型號，大小與 水位控制水箱3相當，裝置在水位控制水箱3中靠近底部位置，以充分混合水 溶液與較重的固體顆粒，如細砂、土壤顆粒等。在水位控制水箱3到實驗箱體 13進水口之間的水管道上連接有回抽水泵5、閥門6與混氣水箱7。回抽水泵 5采用上海申貝的3DJ-136型計量泵或者德帕姆的P2J(M) TS200計量泵，計 量精度達到0.5%，負責模擬井水回揚過程，同時計量回抽水溶液的體積。混 氣水箱7為密閉的容器，可用有機玻璃制成，其中裝置有氣泡發生器8，氣泡 發生器可采用環保設備ZWF氣泡發生器，用于產生微小氣泡，混入從水位控 制水箱3過來的水中，輸出到實驗箱體13，以模擬帶有微小顆粒和氣泡的水 回灌到砂層介質中。下游儲水水箱19可釆用大口徑并帶有水面高度顯示的容 器，可添加水溶液以保持回抽時的水壓力并測量其數值。
實驗箱體13可用有機玻璃制成，具有良好的耐壓力性能和透光性能，可 見光透過率在卯％以上，保證光學成像質量；實驗箱體13可制成長度0.5~1米，高度1 2米，厚度1 2厘米，箱體內徑厚度0.5 1厘米，保證裝填在實驗 箱體中的孔隙介質有好的透光度。箱體內第一、第二濾網可采用孔徑l*lmm 的不銹鋼濾網，起到限制實驗用的孔隙介質直接接觸入水管和出水管，均勻水 流的作用。在實驗箱體13上下壁可打若干個？L，孔徑4mm，個數可以是1個， 也可以是多個(4~6個，上下對稱)，裝置上測壓采樣閥門15。在數字相機拍 照時使用，可使用自然光或LED冷光源。第一數字相機10和第二數字相機 14采用高分辨率的型號，比如尼康D3x數字相機，像素分辨率達到 6048x4032，在實驗箱體邊長1.2米時每像素可對應小于0.25平方毫米的面積， 提供極高的空間分辨，或者采用X3成像技術的Sigma DP系列相機，提供精 確位置成像，有利于淤堵模型的精確建立。計算機采用可以與數字相機連接的 臺式機或者便攜機。
本發明的工作過程如下-
① 往觀測裝置的實驗箱體13中加入可透水的孔隙介質，裝填在第一濾網 12、第二濾網16之間；
② 上游儲水水箱1裝入清水，由控制水泵2調節水位控制水箱3的水位， 使得混氣水箱7中充滿水，實驗箱體13中水流穩定；用第一數字相機10與第 二數字相機14記錄孔隙介質、固體顆粒和氣泡反射光線，以及箱體透射光線， 由計算機9處理儲存；
③ 水位控制水箱3裝含固體顆粒(比如顆粒直徑在0.5mm的粉細砂)的水 溶液，啟動攪拌器4以混合水與固體顆粒，水位控制水箱3的水位根據觀測試 驗壓力要求變化調節，間隔一定時間(1秒~1小時)，第一數字相機10與第 二數字相機14記錄圖像，儲存在計算機9中，長期運行；
④ 如需研究氣泡的運移和淤堵，啟動氣泡發生器8產生微小氣泡，水位控 制水箱3的水位根據觀測試驗壓力要求變化調節，與步驟③相同，長期運行。 固體顆粒與氣泡可以單獨也可同時添加；
⑤ 在運行過程中，根據觀測試驗測量水壓變化要求和定量分析孔隙介質聚 集密度及固體顆粒密度的要求，在不關閉水閥6情況下通過測壓采樣閥門15 進行壓力測量，或關閉水閥6，從測壓采樣閥門15中取出少量水溶液和孔隙 介質樣品，供分析用；
⑥ 在運行過程中，根據模擬回揚清洗過程的反向流動要求，啟動回抽水泵 5，下游儲水水箱19的水位根據觀測試驗壓力要求變化調節，間隔一定時間(l 秒 1分鐘)，第一數字相機10與第二數字相機14記錄圖像，儲存到計算機9 中，長期運行，并在不關閉水閥6情況下通過測壓采樣閥門15進行孔隙介質 水壓力測量。
權利要求
1、一種砂層滲流淤堵模擬裝置，包括由上游儲水水箱(1)、控制水泵(2)、水位控制水箱(3)、氣泡發生器(8)、實驗箱體(13)、測壓采樣閥門(15)和下游儲水水箱(19)，其特征在于水位控制水箱(3)中裝置有攪拌器(4)，混氣水箱(7)中裝置有氣泡發生器(8)；實驗箱體(12)內部入水口和出水口處裝置第一濾網(12)和第二濾網(16)，孔隙介質裝填在第一濾網(12)、第二濾網(16)之間；計算機(9)和第一數字相機(10)及第二數字相機(14)相連，第一數字相機(10)和第二數字相機(14)分別放置在實驗箱體(13)兩側；下出水管(17)及上出水管(18)分別與實驗箱體(13)、下游儲水水箱(19)相連。
2、 根據權利要求1所述的一種砂層滲流淤堵模擬裝置，其特征在于所 述的實驗箱體(13)由可透射可見光的材料制成。
3、 根據權利要求l所述的一種砂層滲流淤堵模擬裝置，其特征在于所 述的實驗箱體(13)為扁平長方形，厚度1 2厘米。
4、 根據權利要求l所述的一種砂層滲流淤堵模擬裝置，其特征在于上游儲水水箱(1)通過水管與控制水泵(2)相連，控制水泵(2)通過水管與 水位控制水箱(3)相連。
5、 根據權利要求1所述的一種砂層滲流淤堵模擬裝置，其特征在于水位控制水箱(3)通過水管依次與回抽水泵(5)、閥門(6)與混氣水箱(7) 相連。
6、 根據權利要求1所述的一種砂層滲流淤堵模擬裝置，其特征在于所述的實驗箱體(13)上裝置有測壓采樣閥門(15)。
全文摘要
本發明公開了一種砂層滲流淤堵模擬裝置，它包括上游儲水水箱、水位控制水箱、混氣水箱、控制水泵、回抽水泵、攪拌器、氣泡發生器、下游儲水水箱、數字相機和計算機。水位控制水箱中裝置有攪拌器，混氣水箱中裝置有氣泡發生器；實驗箱體內部入水口和出水口處裝置第一濾網和第二濾網，實驗用的孔隙介質可裝填在第一濾網和第二濾網之間；計算機和數字相機相連，第一數字相機與第二數字相機分別放置在實驗箱體兩側。實驗箱體上裝置有測壓采樣閥門，用于測量水壓力以及取水溶液和孔隙介質樣品。采用兩個水泵，可正反向驅動水流通過試驗孔隙介質，模擬井水回灌和回揚清洗過程，有利于研究地下水源熱泵系統的顆粒和氣泡滲流淤堵問題。
文檔編號G01N13/04GK101504351SQ200910061018
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者劉小燕, 劉泉聲, 張程遠 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所